胡宜刚,李 睿,辛玉琴,朱学超,王增如,赵 洋
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 沙坡头沙漠试验研究站,甘肃 兰州730000;2.国家电网公司科技部,北京100031;3.西藏信和监理咨询有限公司,西藏 拉萨850000;4.苏州绿化建设发展有限公司,江苏 苏州215008)
青藏高原素有“世界屋脊”、“地球第三极”和“亚洲水塔”之称,在水源涵养、生物多样性保护、水土保持和碳源/碳汇等方面具有举足轻重的生态安全屏障作用[1-2],其生态系统服务价值远胜于经济价值[3]。社会的不断进步和科学技术的快速发展逐渐跨越了青藏高原严酷的自然地理条件限制,一项项重大民生工程,如青藏公路(G6、109国道)、青藏铁路、拉(拉萨)日(日喀则)铁路、国家电网青藏联网和川藏联网工程、中小型水利水电工程的实施,极大地改善了当地民众的交通条件和生活状况。近期即将计划实施的一系列铁路、公路、光电水电和矿产开发等项目以及旅游业的发展也必将推进青藏高原的区域经济发展和社会文明的进步,同时,也对这一区域的生态环境产生巨大影响。由于其特殊的地理环境和气候条件,青藏高原具有明显的环境脆弱性[4]和敏感性[5]的特点,生态安全阈值幅度窄,环境人口容量低,使之对气候变化和人类活动异常敏感[6]。不合理的人类活动极易引起生态系统的破坏,并导致一系列生态环境问题的出现[7]。在全球变化和人类活动的综合影响下,青藏高原已呈现出生态系统稳定性降低、资源环境压力增大等许多问题,突出表现为:冰川退缩显著、土地退化形势严峻、水土流失加剧、生物多样性威胁加大与珍稀生物资源减少、自然灾害增多等[2]。因此,如何采取各种措施和技术手段,做好植被恢复工作,最大限度地降低人类活动对青藏高原生态环境所带来的负面影响将对维护该地区的稳定、促进社会和经济的可持续发展、充分发挥其生态安全屏障作用具有深远的影响。
受气候条件变化的影响,以及退牧还草工程、三江源生态治理工程等一系列政策的实施使青藏高原总体植被盖度和净初级生产力(NPP)变好,但由于气候变暖变干和人类活动(如超载放牧等)的双重影响,在海拔较高、生态更为脆弱的藏北高原西部的高寒草原和高寒荒漠、西藏“一江两河”和青海“三江源”的部分地区仍存在着较为严重的草地退化[1]。其中,具有代表性的有以青藏公路和青藏铁路工程以及三江源区的“黑土型”退化草地。目前,针对青藏铁路工程扰动区域和“黑土型”退化草地的治理已进行了众多植被恢复方面的试验研究和尝试。本研究将从植被恢复的角度出发,在对青藏铁路植被恢复和“黑土型”退化草地治理两个典型案例分析的基础上,总结现有的植被恢复技术和经验,提出在青藏高原进行植被恢复的基本原则和注意事项,为今后青藏高原其他大型工程扰动和草地退化后进行植被恢复提供建议和对策。
青藏高原是由一系列高大山系及其间的高原宽谷盆地组成的独特自然地理单元,其面积为256万k m2,占我国国土面积的26.8%。平均海拔在4 500 m 以上,处于我国地势最高的第三阶梯。因地势格局和大气环流特点的制约,形成了独特的水热状况地域组合,气候特点整体上呈现出从东南暖热湿润到西北寒冷干旱的大致趋势[8],青藏高原内部“三向地带性”相互交错、联结分布,在自然景观上从东南向西北表现出森林、草甸、草原和荒漠的带状更迭的特点[8-9]。其自然地域系统复杂多样,可分2个温度带、10个自然地带和28个自然区[10]。植被类型主要包括山地森林、山地针叶林、高寒灌丛草甸、山地灌丛草原、高寒草原、山地草原与针叶林、山地半荒漠和荒漠、高寒半荒漠和荒漠以及山地荒漠[8]。在宽缓的高原腹地分布着广袤的内陆湖泊、河流以及沼泽等水域生态系统类型。植物多样性非常丰富,已报道的高等植物就有13 000余种,但因所处地域气候条件的差异,植物组成差异巨大[11]。由于严酷的自然地理条件,其生态系统极度脆弱,对气候变化和人类活动异常敏感,特别是“三江源”地区和藏北的羌塘高原[6]。
2.1.1 青藏铁路的影响 青藏铁路是世界上海拔最高的铁路,新建的格尔木至拉萨段全长1 118 k m,大部分位于高原腹地,86.3%的路段处于海拔4 000 m 以上。青藏铁路的成功修建和通行创造了人类铁路史上的一个新的奇迹,在改善青藏高原的交通环境、加强西藏与内地的联系、促进民族团结、推动地区经济发展和保持社会稳定等诸多方面都发挥着至关重要的作用。然而,铁路沿线的植被类型复杂多样,包括高寒荒漠、高寒草原、高寒草甸、高寒沼泽和高寒灌丛5种植被类型、10种植被亚型[12]和10个土壤亚型[13],大多都处于重度或极度脆弱区[4],一旦遭到破坏,恢复难度极大。虽然在施工过程中采用了一系列的保护措施,但由于工程浩大且高寒环境的脆弱性和敏感性,施工过程中路基的修建、取弃土场、施工便道等临时工程用地等不可避免地对原生植被和生境造成破坏[14],主要表现在表层土壤向粗粒化和贫瘠化方向发展[15]、冻土上限深度增加[16]、土地沙化与沿线沙害形势严峻[17-20]、风 蚀和冻融侵蚀加剧、影响地表径流[21]和水土流失[22-23];植被覆盖度、生物多样性和生产力降低[16],景观破碎化、湿地生态系统萎缩和退化[24-25]、野生动物的迁移和繁殖发生改变等一系列连锁反应,最终影响铁路沿线生态系统的结构与功能(图1)。应用植被影响指数分析发现,青藏铁路工程对高寒草原和高寒草甸的影响最大,其次是荒漠和流石坡稀疏植被,影响较小的是高寒河谷灌丛、沼泽湿地和垫状植被[14]。各种工程干扰中路基工程的影响最大,取弃土场、桥涵和隧道工程有重要影响,施工便道、站场和施工营地产生一般或轻微的影响。
图1 青藏铁路建设对沿线生态环境的影响Fig.1 Effects of the Qinghai-Tibet rail way construction on the ecological environ ment along the line
2.1.2 青藏铁路沿线的植被恢复 生态系统具有自我修复的能力,主要通过土壤种子库、有性生殖扩散和营养繁殖实现自我更新和演替。青藏铁路工程扰动后的植被恢复能力与所在路段的地形、植被覆盖度、气候条件以及工程活动的强度都有关系,地势越平坦、工程面积越大、植被覆盖度越低、环境越脆弱的区域植被的恢复能力越差[26]。因青藏公路修建而受损的高寒草甸经过12年的自然演替后,其盖度和物种丰富度仅恢复到原生植被的10%~41%和12%~40%,工程碾压路段需要30~40 年后其盖度才能接近于原生植被[27]。在保留一定比例的地表原始土壤的情况下,工程结束后20~30年物种多样性基本可恢复到破坏前的水平。而当工程建设破坏面积大于1 500 m2,植被难以恢复[28]。多年冻土区工程取土场恢复20年后,植被的盖度、生物量和物种丰富度接近原生植被,土壤有机质增加、碱性降低[28-29]。由此可见,由于高、寒和旱的特殊条件的影响,青藏高原生态系统植被的自我修复速率缓慢,土壤的恢复过程将更为漫长。
目前,就如何降低工程干扰所带来的负面影响和对受损生态系统进行植被恢复已经开展了多方面的研究和实践,并在此基础上提出了一系列建议和技术体系。工程建设中应当减少对地形地貌的破坏,重视对地表土壤的保护并辅助人工植被恢复措施[28]。对取弃土场和路基边坡采取人工植被重建,施工便道、施工营地采用松耙表土并补播草种后进行自然恢复[30]。在工程活动中采取有效的冻土环境保护措施,对维护高寒生态系统都具有重要意义[16]。对已被工程破坏的草地,尽量避免干扰,从而使其自然恢复[27]。并根据植被类型进行人工植被重建和自然恢复相结合的方式进行植被恢复,荒漠地段可通过卵砾石覆盖压砂或结皮固沙等措施来控制施工后地表的稳定,为植被恢复创造条件[31];高寒草原植被恢复施工前应将表层土有序剥离,集中堆放保存,待工程结束后“就地回填”;高寒草甸地带施工时将草皮分割保存,待工程结束后进行回铺;部分地段可以选择适宜草种进行植被重建。充分利用微地形,以当地优势植物种为主,辅以外来优良种,以实生苗为主,辅以栽植苗木,以草灌为主,辅以适当乔木可对当雄车站进行植被恢复[12]。以紫花针茅(Stipa p ur purea)、垂穗披碱草(El y mus nutans)等乡土草种,采取原生植被种子异地繁殖后再人工播种或栽培种苗,然后靠自然演替达到植被恢复的目的[32]。
物种的选择是进行人工植被恢复的重要内容,人们已开展了许多研究并取得了一些成果。通过3年的种植试验筛选出以垂穗披碱草、老芒麦(E.sibiricus)和达乌里披碱草(E.dahuricus)为主要草种,无芒雀麦(Bromus iner mus)、扁穗冰草(Agropyron cristatum)和赖草(Ley mus secalinus)为辅助草种的植被恢复草种组合,并提出了相关土壤改良和后期管理技术[30]。梭罗草(Kengyilia thorol diana)和垂穗披碱草在青藏铁路工程取土场进行植被恢复是可行的,其出苗率分别接近50%和60%,越冬率在75%和50%以上,恢复第2年的植被盖度在41%和50%以上,群落地上生物量和地下生物量均达到较高水平[33-34]。多年生乡土物种,如垂穗披碱草、赖草、冷地早熟禾(Poa cr y mophil a)和中华羊茅(Festuca sinensis)是次生裸地的重要先锋植物,对高原地区气候环境具有较好的适应性,在植被恢复中值得推广,且几种植物混播的群落更加稳定[35]。此外,青藏公路植被恢复实践中采用的生态袋技术和三维网植草,保水剂、复合肥及专用肥与种子按配比使用提高植被恢复效果[36],以及普通喷播中增加保水剂和凝结剂的用量、采用客土喷播工艺进行植被建植同样可以借鉴[37]。近期的研究[35]发现,青藏铁路格拉段工程的植被恢复措施是成功的,植被个体及群落指标均表现较好,生态恢复和自然景观效果明显,全线景观格局没有发生显著变化,外部环境也表现稳定,其群落结构表现稳定,符合自然演替规律。由此可见,在青藏高原工程扰动后采用多种手段和措施进行植被保护,利用人工植被重建进行植被恢复是可行的。同时,也说明青藏铁路的植被恢复是一种行之有效的模式,对其他工程扰动后的植被恢复具有很好的借鉴意义。
2.2.1 “黑土型”退化草地的现状及其成因 “黑土型”退化草地是指青藏高原海拔3 700 m 以上高寒环境条件下,以嵩草属(Kobresia)植物为建群种的高寒草甸草地严重退化后形成的一种大面积次生裸地,或原生植被退化呈丘岛状的自然景观,因其裸露的土壤呈黑色,故名“黑土型”退化草地[38],俗称“黑土滩”、“黑土坡”或“黑土山”。“黑土型”退化草地是青藏高原干旱草甸严重退化后的特有产物[39],集中分布于青藏高原三江源区的山地阳坡和半阳坡山麓和山前滩地,其面积约为703.19万h m2,占青藏高原退化草地面积的16.54%[38]。仅在黄河源区高寒草甸上7个不同植物优势种类型的“黑土滩”草地已完全失去了牧用价值,短期内自然恢复的物质基础也已丧失[40]。因其所处地理环境的脆弱性、植被恢复后易退化等特点严重威胁着畜牧业的可持续发展,成为青藏高原难以治理的生态难题。
“黑土型”退化草地的特征突出表现为土壤含水量下降、土壤趋于碱性、有机质减少、速效养分增加[38,41-42]、植被生产力下降、优势禾草比例降低而毒杂草类滋生[41-43]、秃斑块面积增加以及啮齿类动物的危害加剧[44]。随着其退化程度的增加,高山嵩草的无性系克隆生长受阻,分株、分蘖和叶片生物量及数量下降非常明显[45]。植物群落组成演替序列从嵩草属到早熟禾属、杂类草最后演替为毒杂草为主的群落[46]。其产草量是未退化草地的13%,植被平均盖度为45%,植物物种组成的60%~80%为阔叶毒杂草,基本上失去了生态和牧用价值[46]。以秃斑地盖度、可食牧草比例、啮齿类的危害、退化指示种的比例和土壤有机质含量为指标可分为未退化、轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化共5 个退化程度[46-48]。当秃斑地盖度大于40%、可食牧草比例小于35%、退化指示种超过50%、表层土壤(0~10 c m)有机质含量低于7.5%时高寒草甸可界定为“黑土型”退化草地[47]。据调查,三江源区重度和极度退化草地(“黑土型”)面积在330万h m2左右,占中度以上退化草地总面积的1/3[46]。
“黑土型”退化草地形成的原因是多方面的(图2),其主要原因是对草地的长期超载放牧[44,49]和害鼠破坏[39,48],强大持久的风蚀、水蚀和冻融交替剥离加速了“黑土滩”的形成[46,49]。以植被稀疏的过牧地段或土质疏松的鼠害地段为起点,风蚀和水蚀为原动力,终点是融冻剥离[46]。此外,气候的干旱化给过牧对草地的影响起到了推波助澜的作用,其叠加效应加速了青藏高原高寒草地的退化[48,50]。因此,“黑土型”退化草地是由气候变暖、冰川退缩、过度放牧、鼠害等综合因素共同引起的[51-55]。
图2 “黑土型”退化草地的形成过程Fig.2 For mation of the“black soil type”degraded alpine meadow
2.2.2 “黑土型”退化草地的植被恢复 针对青藏高原高寒“黑土型”退化草地的恢复已开展了多方面的研究和实践,并提出了一系列的建议和对策。早在1998年,有学者就曾提出通过建立草业系统,加强天然草地管理,建立栽培草地,调整畜群结构,发展季节畜牧业,减轻天然草地压力,逐步恢复“黑土型”退化草地的构想[54]。也有学者认为“黑土滩”的预防和治理应该从控制过度放牧、减轻放牧压力入手,本着不同退化类型的“黑土滩”分而治之的原则,综合采用灭鼠、施肥和补播等措施达到恢复的目的[48-49]。按退化草地的等级采取相应的恢复措施,中度和轻度退化草地改良通过禁牧封育、灭鼠、毒杂草防除等措施靠自然恢复能力进行恢复;重度和极度“黑土型”退化草地通过建植栽培、半栽培草地的手段进行恢复[47,55]。土壤是进行草地生态恢复的立地条件,“黑土滩”的治理应该尽快从土壤改良研究入手,从而加快植被恢复的进程[43]。也可以将“三江源”区按生态功能、经济功能划分为生态核心区和生态经济保障区进行分区治理,在生态经济保障区推行“草地农业家庭牧场模式”[56]。在国家层面上,应持续加强向江河源区生态建设的投资和牧区人民的文化教育,提高牧民的文化素质[56]。同时,全面贯彻落实“草原法”和“草地有偿承包责任制”的实施[48]。
研究发现高寒草甸生态系统有较强的自我恢复能力[57]。然而,土壤的粗骨性、养分和种子库的匮乏是三江源“黑土滩”型退化草地难以进行自然恢复的瓶颈[58]。因此,靠自然恢复将会是一个非常漫长的过程[43,46,58]。栽培草地的建立是提高“黑土型”退化草地生产力、调控植被群落结构和土壤养分的一种有效方法[59-60]。通过建立多年生栽培草地可以在短期内恢复植被生产力、改善土壤微环境,并为地带性植被的入侵创造适宜条件,从而大大缩短了“黑土型”高寒退化草地的恢复进程[46-47,58]。尽管有学者认为围封、补播和自然恢复对“黑土型”退化草地的恢复不一定会成功[61],但多年的恢复实践发现,中、轻度退化草地通过减轻放牧压力和消灭鼠害,在3-6年内即可恢复到较好的状态[55]。封育和补播3年后“黑土滩”草甸植物群落的盖度、高度、地上生物量、可食牧草比例、物种丰富度和多样性均显著提高,封育后补播相比于单纯的封育是一种更为有效的“黑土滩”退化草甸的恢复措施[62]。配合施氮肥和磷肥,结合围栏封育对退化高寒草甸群落的恢复比仅施氮肥的效果更为显著[63]。利用禾本科适宜牧草在重度和极度退化草地上改建的栽培和半栽培草地,其植被的盖度基本上接近于原生植被,地上总生物量是未退化和退化草地的4~5 倍和10~15倍[55]。然而,“黑土滩”上单播垂穗披碱草的人工植被在自然演替状态下短期内就会发生严重退化[39,64]。人工补播多年生禾本科牧草5 年后土壤含水量和地下生物量显著提高,禾草也会开始衰退[39]。封育垂穗披碱草栽培草地3年后,原生莎草科植物的侵入受阻,大量立枯体和凋落物的产生会抑制植物的再生和幼苗的形成,不利于草地的繁殖更新,物种多样性明显降低[65-66]。不同草种单播或混播试验发现多种多年生禾草配置的栽培草地可有效地优化人工植被的群落结构,遏制单一种建植的快速退化现象,3 年的试验研究选出了“垂穗披碱草+冷地早熟禾+中华羊茅+波伐早熟禾+西北羊茅+短芒老芒麦”的混播优化组合[60]。“黑土滩”滋生的毒杂草能充分利用空余生态位,靠其高密度特征完成群落更新,建议加强干扰以减弱“黑土滩”次生毒杂草群落稳定趋势[67]。因此,后期的施肥[55,64]、鼠害防治[64]、毒杂草 防除[46,68]以及适度放牧利用[55,65-66]等人工调控措施能有效地遏制其快速衰退,使植被的盖度、高度和干草产量保持在90%、60 c m 和5 000 kg·h m-2以上[46,55]。因此,选择适宜草种和农艺措施是“黑土型”退化草地建植栽培草地成功的关键。在建植栽培草地时,应优先考虑混播,并配以科学、合理的调控,有助于提高栽培草地生产力[46,55]。此外,牧草种子丸粒化后在“黑土滩”退化草地种植表现良好[69]。
目前,治理“黑土型”退化草地的研究也从草种的选择上开展了大量试验[70]。多年的引种试验发现外来草种无法适应青藏高原的特殊气候环境,在“黑土滩”上种植很难成功,而乡土草种对高寒环境有很强的适应性[65]。扁茎早熟禾(P.pr atensis)、波伐早熟禾(P.poophagor u m)、冷地早熟禾和草地早熟禾(P.pr atensis)的越冬率均在80%以上[71]。草地早熟禾、垂穗披碱草、星星草(Puccinellia tenuif lor a)都能顺利完成生活史并可自然更新[39,60,72]。因此,乡土草种是青藏高原“黑 土滩”植被恢复的主要草种,目前已筛选出适宜推广的乡土草种主要有垂穗披碱草、老芒麦、冷地早熟禾、中华羊茅、西北羊茅(F.r yl oviana)、毛稃 羊茅(F.kirilovii)、紫羊茅(F.r ubr a)、星星草、紫野麦草(Hor deu m viol aceum)[60,73]。此 外,还 有 小 花 碱 茅(Puccinellia tenuif lor a)、梭罗草、异针茅(Stipa aliena)、赖草、无芒雀麦、西北冰草(Agr op yron smithii)、细茎冰草(A.tr achycaul us)、短芒老芒麦(E.breviaristatus)也具有较高推广价值[74]。但由于市场上商品种子供应短缺或部分草种还处于驯化选育阶段,扁茎早熟禾、小花碱茅、麦宾草(E.tangutor u m)、梭罗草和疏花针茅(S.l axif or a)等适宜“黑土滩”栽培的优良牧草只能作为后备草种[70]。
通过近期(2000-2011年)对青海达日县境内Land Gsat T M 资料的解译与分析发现,前8年草地呈现退化趋势,黑土滩总面积逐渐增大。2007年以后,黑土滩总面积有所减小,草地退化和黑土滩扩展趋势得到有效遏制[75],这说明通过以上多渠道的联合恢复措施使三江源区生态保护和建设工程在“黑土滩”综合治理方面取得了显著成效。
纵观植被恢复的历程,其主要教训可以概括为缺乏恢复生态学理论的指导、植物物种的选择不合理、种植和养护措施不当以及监管执行不力4个方面。综上所述,虽然青藏铁路工程干扰和“黑土型”退化草地的植被恢复实践中仍存在许多的不足之处,但从目前短期的效果来看,是比较成功的。这也为今后青藏高原地区针对工程干扰和过度的人类活动进行植被恢复给予如下启迪:
1)依法行事,合理利用。加大法律宣传,增强民众的法律意识,依法保护、建设和合理利用草原,有效进行青藏高原生态安全屏障的保护与建设。正如美国的“罗斯福大草原工程”、苏联的“斯大林改造大自然计划”、北非五国的“绿色坝工程”以及我国的“三北”防护林工程和退耕还林工程,一项大型的生态工程项目需要从国家层面上制定一系列相关的法律法规和政策规划。其实,早在1985年我国就通过了《草原法》;国务院等部门还批准并实施了一系列的规划、保护与建设项目,相继通过了《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》、《青海湖流域生态环境保护与综合治理规划》、《西藏生态安全屏障保护与建设规划》以及《青藏高原区域生态建设与环境保护规划》[2],为改善青藏高原生态环境,保护生物多样性,发展现代畜牧业,促进经济和社会的可持续发展提供了法律支持和战略依据。大型生态工程的成功实施更离不开有关部门的大力支持、协调与配合,青藏高原的生态恢复与保护工作也需要各级相关单位齐心协力,认真贯彻有关方针、严格落实各项恢复工作、加强监管土地的不合理利用。
2)优化施工,减轻干扰。针对工程施工造成的人为干扰和破坏,施工过程中以“减少布点、集中建设”为原则布设站点、施工场地和宿营地,尽可能的降低人类活动的强度。贯彻“保护优先、预防为主”的对策,科学合理地设计施工便道。做好表层土壤和冻土的保护工作,及时按土层结构回填土壤并回铺草皮。同时,减少对施工周围区域地形地貌的破坏,尽力维护其原始生态景观。对于放牧造成的草地退化,注意控制牲畜数量,推行以草定畜、划区轮牧、休闲育草的放牧制度,发展季节畜牧业,草地退化和环境破坏严重的地区可在一定时期建立禁牧区。并建立一定数量的人工饲草料生产基地、发展舍饲养殖业,通过定量补饲降低畜牧业对天然草原的依赖性。
3)积极恢复,养护结合。推广现有的可靠植被恢复技术和体系,加强特殊区域植被恢复与重建的攻关技术研究,重视并支持牧草的栽培和新品种的育种等基础研究。人工植被建设应以生物地带性为科学依据,物种的选择要以适应性为原则,遵循物种的生物学特性,以当地的乡土物种作为植被恢复的首选物种,做到适地适种。对引进的外来物种的坚持安全性原则,除了考量其适应性外,更要注重评估生物入侵的风险。物种的组合坚持生物物种多样性原则,选择多种乡土物种配置。依据施工过程中的破坏程度,采取围封、补播和建植人工植被等多种措施及时进行植被恢复,配合土壤改良、施肥和灌溉技术,进行注重后期的管理和养护。建成后,选取典型地段对其植物群落和土壤环境进行长期定位观测,跟踪生态系统的演替过程,推进恢复生态学的理论研究,及时评估生态系统的稳定性,预防人工植被恢复区的草地退化。
4)强化监管,杜绝违规。施工单位配合监理部门做好环境保护宣传工作,加强环保意识。监理部门要恪敬职守,确保施工严格按照各项规定及条例规范进行,加大对违规施工的处罚,必要时进行停工整顿。推迟对环水保方面的验收工作,可依据3~5年后的植被保护与恢复的效果决定是否通过验收,执行奖惩制度。草原管理部门需注意做好宣传教育工作,重视对当地农牧民相关知识的培训工作、充分发挥其对当地畜牧业生产与发展的指导作用。同时,加强对草原生产力的监测以及对基层家畜数量、草地利用和围栏建设等方面的监管,防止乱挖、开垦和违规建设,严惩不合理的土地利用行为。
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